Python_DL_麦子学院（算法与应用_进阶）_21~22_训练难点

Posted 2020-12-13 tlfox2006

 

http://neuralnetworksanddeeplearning.com/chap4.html

总结：

1. vanishing gradient problem：神经网络的不同层学习的速度显著不同。原因：weights式服从正态分布，那么w<1，而σ‘(z_i) 服从N(0,1/4)，那么w*σ‘(z_i)<=1/4，而dC/db1的公式为，那么dC/dbi是逐层减少的。

2. Exploding gradient problem：

 

6.1 深度神经网络中训练难点

到目前为止，我们例子中使用的神经网络一共只有3层（一个隐藏层）。我们用以上神经网络（通过调参）达到了98%的accuracy。

更深层的神经网络可以学习到不同抽象程度的概念。例如：图像中：第一层学到边角信息，第二层学到一些基本形状，第三层学到物理概念。

 

如何训练深度神经网络？

难点：神经网络的不同层学习的速度显著不同。接近输出层更新bias比较快，学习速率比较合适，而前面的几层更新bias的速度比较慢，学习太慢，有时候被困住。 

消失的gradient问题（varnishing g‘radient problem）：

import mnist_loader
training_data, validation_data, test_data = mnist_loader.load_data_wrapper()
import network2
net = network2.Network([784,30,10])
net.SGD(training_data,30,10,0.1,lmbda=5.0, evaluation_data=validation_data,monitor_evaluation_accuracy=True)

结果：96.48%

加入一个隐藏层：

net = network2.Network([784,30,30,10])
net.SGD(training_data,30,10,0.1,lmbda=5.0, evaluation_data=validation_data,monitor_evaluation_accuracy=True)

结果：96。9%

再加入一层隐藏层：

net = network2.Network([784,30,30,3010])
net.SGD(training_data,30,10,0.1,lmbda=5.0, evaluation_data=validation_data,monitor_evaluation_accuracy=True)

结果：96.57%

为什么加入一层反而准确率下降了？ -》 varnishing g‘radient problem

条形趋于长度代表dC/db，Cost对于bias的变化率：

hidden layer 1 的条形值都下于hidden layer2的条形值。即第一层学习的速率远远低于第二层的速率。

在5层的随机物理中：[784,30,30,30,10]，学习率分别为0.012，0..6 and 0.283。越往后，越靠近输出层，他的学习速率就越快。以上是初始的是偶的学习率，下面的图表示了在训练1000张图片，两层神经网络学习率的差异，当神经网络在训练过程当中，不同层随epoch增加时学习率的变化：

   

 

 

 中间图是另外一个例子:[784,30,30,30,10]，右图，再加入一层：:[784,30,30,30,30,10]。可以看出，第一隐藏层比第四个隐藏层几乎慢100倍这种现象普通存在于神经网络之总，叫做：vanishing gradient problem。另外一种情况是内层的梯度被外层大很多，叫做exploding gradient problem。所以说神经网络算法用gradient之类的算法学习存在不稳定性。

训练深度神经网络，需要解决vanishing gradient problem，造成他的原因：

假设每层只有一个神经元

 

 ，其中 得到向前更新的表达式：C= σ(W4*σ(w3*σ(w2*σ(w1*x+b1)+b2)+b3)+b4)

 

 而Cost对bias的偏导的公式为dC/db1为：，所以从公式可以看出，越靠前的隐藏层的C对b的偏导越小。大部分的weights式服从正态分布，那么w<1，而σ‘(z_i) 服从N(0,1/4)，那么w*σ‘(z_i)<=1/4，而dC/db1的公式为，那么dC/dbi是逐层减少的。

  

所以对于以上公式的多项乘积来讲，层数越多，连续乘积减小。

 

6.2 解决vanishing gradient 问题

Exploding gradient problem